一种金属表面离子注入强化方法与流程

技术领域

本发明涉及一种金属表面处理方法，特别是一种金属表面离子注入强化方法。

背景技术：

铝及其合金工程结构和机械零件在航空航天、汽车、机械制造、船舶和化工等领域有着十分广泛应用。在铝及其合金构件的服役过程中，疲劳破坏是其普遍存在的问题之一。由于金属材料的失效多开始于表面层，因而提高铝及其合金的表面性能对于增加其疲劳寿命有着十分重要的作用。目前，通过不同的表面改性技术在金属表面引入残余压应力，可以对萌生于金属表面的裂纹起抑制作用，进而有效提高金属的疲劳寿命。

离子注入技术可以将高能离子植入材料表面层，在不改变材料基体性能的基础上，有选择的改变一定厚度材料表面层的应力状态；且离子注入改性层与基体之间无明显界面，保证了离子注入改性层与基体间机械性能的连续过渡，避免了离子注入改性层与基体结合不牢而造成的表面层破坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种金属表面离子注入强化方法。本发明能提高抗疲劳性能。

本发明的技术方案：一种金属表面离子注入强化方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①使用砂纸对金属件的待离子注入面进行打磨；

②对金属件超声清洗，保证待离子注入表面的清洁；

③将金属件置于离子注入真空系统靶盘中央位置并抽真空至工作状态；

④根据需引入的压应力层厚度，选取相应的注入离子和一组电压、束流、剂量对金属件表面进行高能离子注入处理；

⑤对离子注入处理前后的金属件进行X射线衍射检测，通过对比X射线衍射谱来确定离子注入面的应力状态；

⑥若未引入压应力，则根据X射线衍射检测结果来调整离子注入的电压和电流，继续重复上述步骤①-⑤直至在制件表面层引入压应力；

⑦若已引入压应力，从而得到离子电压、离子束流和离子种类，最后对金属件进行批量离子注入处理来提高金属的抗疲劳性能。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述步骤①中金属的离子注入处理面需达到普通镜面效果，粗糙度要求为0.01-0.06 μm。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述步骤②中超声清洗方法是丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，前后反复2-3次，吹干备用。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述步骤③中离子注入真空系统的真空度需要10^-4Pa及以上。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述步骤④中引入的压应力层厚度满足函数：，其中x是单个入射离子的射程，x₀是靶材中入射离子最大富集层距离表面的距离，Δx_p为入射离子射程的高斯函数标准偏差。

前述的金属表面离子注入强化方法中，入射离子能量与压应力层厚度满足微分方程：，其中S(E)单个入射离子停止运动需消耗的能量。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述束流大小应保证使金属材料产生回火反应，可根据如下方程进行计算：，其中为靶体温度，为环境温度，I为束流，E为入射离子能量，A为离子注入面积。

前述的金属表面离子注入强化方法中，高能离子入射方向垂直于靶材表面来保证其最小的表面溅射量。

前述的金属表面离子注入强化方法中，所述步骤⑤中X射线衍射检测采用连续扫描法，扫描速度为7°/min，扫描范围为15~90°，离子注入后X射线衍射谱相对于注入前X射线衍射谱向右移动判定为在离子注入面引入压应力。

与现有技术相比，本发明通过利用高能离子对靶材表面进行离子注入处理，离子轰击会造成靶材表面层的原子发生移位和重新排列，并在靶材表面离子注入层形成大量的间隙原子，这些间隙原子对其周围晶体产生压应力。在宏观上，表现为离子注入合金表面的压应力状态。本发明采用X射线衍射技术检测高能离子注入前后金属件表面的应力状态，通过对比离子注入前后铝及其合金表面X射线衍射谱的移动方向来判断铝及其合金表面的应力状态；最终提高抗疲劳性能。

附图说明

图1是本发明的真空离子注入系统示意图；

图2是离子注入引入应力原理图；

图3是离子注入前后1060铝合金X射线衍射图；

图4是某一条件下（50 KeV、10μA/cm²、10¹⁵/cm²的He⁺）高能离子在1060铝合金表面引入压应力层厚度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

一种金属表面离子注入强化方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①使用砂纸对金属件的待离子注入面进行打磨；

②对金属件超声清洗，保证待离子注入表面的清洁；

③将金属件置于离子注入真空系统靶盘中央位置并抽真空至工作状态；

④根据需引入的压应力层厚度，选取相应的注入离子和一组电压、束流、剂量对金属件表面进行高能离子注入处理；

⑤对离子注入处理前后的金属件进行X射线衍射检测，通过对比X射线衍射谱来确定离子注入面的应力状态；

⑥若未引入压应力，则根据X射线衍射检测结果来调整离子注入的电压和电流，继续重复上述步骤①-⑤直至在制件表面层引入压应力；

⑦若已引入压应力，从而得到离子电压、离子束流和离子种类，最后对金属件进行批量离子注入处理来提高金属的抗疲劳性能。

所述步骤①中金属的离子注入处理面需达到普通镜面效果，粗糙度要求为0.01-0.06 μm。

所述步骤②中超声清洗方法是丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，前后反复2-3次，吹干备用。

所述步骤③中离子注入真空系统的真空度需要10^-4Pa及以上。

所述步骤④中引入的压应力层厚度满足函数：，其中x是单个入射离子的射程，x₀是靶材中入射离子最大富集层距离表面的距离，Δx_p为入射离子射程的高斯函数标准偏差。

入射离子能量与压应力层厚度满足微分方程：，其中S(E)单个入射离子停止运动需消耗的能量。

所述束流大小应保证使金属材料产生回火反应，可根据如下方程进行计算：，其中为靶体温度，为环境温度，I为束流，E为入射离子能量，A为离子注入面积。

高能离子入射方向垂直于靶材表面来保证其最小的表面溅射量。

所述步骤⑤中X射线衍射检测采用连续扫描法，扫描速度为7°/min，扫描范围为15~90°，离子注入后X射线衍射谱相对于注入前X射线衍射谱向右移动判定为在离子注入面引入压应力。

实施例1。按下述步骤进行：

1. 对1060铝合金进行表面处理及清洗后，将靶材置于真空离子注入系统内，并使其表面与离子入射方向垂直，再将离子注入系统抽真空至10^-4Pa，如图1所示为真空离子注入系统示意图。

2. 通过理论计算和正交优化设计，选取几种离子、不同的离子能量、束流大小和注入剂量进行离子注入处理，图2所示为离子注入改性原理图。

3. 分别对氦离子注入前后样品进行X射线衍射检测；图3所示为衍射前后1060铝合金表面的X射线衍射谱；测试结果表明，氦离子注入处理的合金表面X射线衍射谱与未离子注入的合金表面X射线衍射谱相比，向高角度方向偏移了0.14度，说明在1060合金表面层引入了残余压应力。

4. 最终确定氦离子、离子能量为50 KeV，束流大小为10μA/cm²，剂量为10¹⁵/cm²的工艺方案并进行批量处理，该方案可在厚度为0.550μm的合金表面层引入压应力，如图4所示。